系留多旋翼无人机及其应用
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作者:龙文彪
摘 要：系留多旋翼无人机是将普通多旋翼无人机与地面电源综合起来的一种新型无人机系统，有限解决了航时短的问题，越来越多地应用于通信、侦察及监控领域。本文总结了系留多旋翼无人机的系统组成、性能优点及在通信和军事侦察方面的应用，系留多旋翼无人机在未来将发挥更大应用价值。
关键词：系留多旋翼 无人机 通信中继 侦查监控
中图分类号：E926.3;E96 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0057-02
1 引言
多旋翼无人机具有定点悬停、垂直起降、操控简单、成本低等优点，成为一款性能优异的空中平台，同时多旋翼无人机起降不受地形地貌及地面交通的影响，使用范围广，在民用及军用领域展现出巨大的应用潜力。然而，多旋翼无人机受电池技术水平的限制，续航时间较短，大大限制了其应用范围。系留多旋翼无人机采用地面供电，实现无人机连续不间断飞行，很好的解决了航时短这一问题。
系留多旋翼无人机是一种新型的无人机系统，将系留综合线缆与多旋翼无人机结合起来，无人机飞行过程中，采用地面电源直接供电，供电设备通过导线为无人机传输电能从而转变了机载锂电池供电模式，使得无人机不受电能限制，可长时间在空中悬停[1]。根据应用场景和工作环境的不同，地面综合线缆系统可固定在不同的位置，系留无人机分为地面固定式、舰载移动式和车载移动式三种。
系留多旋翼无人机解决了普通多旋翼续航时间短的问题，并且可广泛地应用于应急救灾、无线电监控、军事通信等领域，成为无人机未来发展的一大趋势，现阶段国内外科研机构及无人机厂商纷纷投入到系留多旋翼无人机的研发之中。
2 系留多旋翼无人机系统组成
系留无人机系统与普通多旋翼系统的区别在于飞行器平台系统和供电系统，飞行器平台系统作为空中设备的搭载平台，搭载任务载荷到目标区域上空用于通信中继或执行侦察等任务。与普通多旋翼不同，系留多旋翼无人机长时间在空中悬停需要考虑恒风或突风的影响，在风场中悬停时，实际上相当于平台在向来风方向做平面飞行，因此系留多旋翼无人机设计时需要综合考虑气动外形和动力设计。
系留无人机与普通多旋翼无人机最大的区别在于供电系统的不同，系留多旋翼悬停高度一般为100m或200m，因此从地面到达平台供电需要经过一定的传输距离，为减少电能的消耗，一般采用高压供电方式，减小输送电流。系留多旋翼无人机供电系统包括地面电源、地面升压模块、系留线缆及机载降压模块及机载应急电池等，地面电源可为地面电池组、发电机或市电，地面电源经地面升压模块转换至300～400V高压，经系留线缆进行高压电能传输至机载降压模块，机载降压模块再将高压电降至一定低压为飞机和机载电子设备供电。
系留线缆为复合光纤电缆，不仅用于传输动力电源还用于传输平台电子设备的光电信号。系留线缆一般由一根动力线、两根光纤、及增强单元组成，增强单元为系留线缆的承力元件，一般由软质纤维绞制而成，可用于减缓外力冲击对内部线缆的影响。线缆要求具有轻的结构重量，以减轻平台升力，增加升空高度，提高使用效能。
系留多旋翼通常配备有机载应急电池，用于防止地面供电系统出现问题时无人机可平稳降落。机载应急电池与地面供电系统并联设计，供电时可根据需求进行相互转换：（1）当机载应急电池与地面供电系统都正常时，优先使用地面供电系统供电;（2）当地面供电系统出现故障时，系統可迅速转换至机载应急电池供电;（3）当地面供电系统恢复正常时，无人机系统又可快速切换回地面供电系统供电。而当地面供电系统超过2min不能恢复时，无人机可依靠机载应急电池安全降落，为保证系留无人机系统安全，机载应急电池通常设计有足够的余量。
3 系留多旋翼无人机特点
（1）与普通多旋翼无人机相比，系留多旋翼无人机具有长时间的滞空能力，采用系留线缆供电方式，可持续进行供电，减少了机载电池重量，保证了无人机全天24h的飞行能力。
（2）相比其他飞行器，系留多旋翼安全性高，无人机可固定悬停在某一监控区域，悬停高度不会超过200m，不会对其他飞行器造成飞行安全隐患，再者起降环境要求低，不需要专门的机场跑道，超低空应用无须空域申报或空域协调;同时无人机长时间的系留，不需要操作手进行频繁的操作，减少了操作失误带来的安全隐患。
（3）相比固定翼无人机，系留多旋翼具有稳定的悬停能力，这是多旋翼无人机飞行具有的独特优势，系留多旋翼无人机通过惯性测量元件对三维角速度、三维加速度及三维速度的状态进行测量使多旋翼无人机进行稳定的悬停。
（4）系留多旋翼无人机具有良好的电磁兼容能力，多旋翼无人机飞行过程中电机、电调、机载降压模块、大电流线缆等都会产生电磁辐射，通过布线技术、滤波技术、接地技术、屏蔽技术等降低电磁辐射对通信系统的干扰。
（5）系留多旋翼无人机具有超强的挂载能力，可挂载昼夜光电侦察设备、无线电侦察设备及通信中继设备等，可满足不同的使用环境需求。
（6）与直升机相比，系留多旋翼无人机具有结构简单、升降操纵方便、体积小、重量轻、噪音小、可靠性高等优点。与直升机不同，系留多旋翼无人机飞行原理简单，不需要复杂的零部件和机械结构，对零部件的磨损较小，安全性和可靠性得到提升。
4 系留多旋翼无人机的应用 （1）系留多旋翼无人机在通信中的应用。
通常情況下无线电波可看做直线传播，而受地形地貌的影响，直线传播的无线电波会受到障碍物的阻挡，因此无线通信设备的天线高度成为影响无线通信覆盖范围的重要因素，对于在山区及高楼林立的地形环境下通信设备天线的高度成为制约通信质量的首要因素。系留多旋翼无人机作为通信中继平台将通信设备升高至一定高度，将非视距传播信道改变为视距传播信道，从而提高通信距离和改善覆盖范围[2]。
地震等自然灾害发生时，往往会造成通信设备的瘫痪，给救援工作带来极大的不便，传统解决通信问题往往是搭建临时的通信基站，而受天线高度的影响服务范围有限，难以快速全面快速地展开救援工作。系留多旋翼无人机作为搭载平台搭载微型基站、集群微型基站及自组网平台等多种通信设备飞抵受灾区上空，作为通信中继提供应急通信服务[3]。相比于传统临时通信基站，通过系留多旋翼无人机搭建的应急通信基站具有覆盖范围广、成本低、安全可靠等优点，可快速实现与灾区取得联系。
（2）系留多旋翼无人机在军事侦察监控中的应用。
现阶段局部冲突、边境摩擦问题依然存在，安保与反恐问题越来越受到国家的重视，更多的国家将系留多旋翼无人机应用于军事侦察和要地监控。将携带不同载荷的系留多旋翼无人机部署在边境地区或重点防范区域，可以对目标进行全天候、不间断的监控，防范恶性事件的发生，系留多旋翼无人机同样可以作为武器的安装平台，当监控目标中发现敌对分子时对目标实施精确打击。
5 结语
系留多旋翼无人机作为一种新型的无人机系统，突破了普通多旋翼无人机续航时间短的问题，越来越多地应用于军事和民用领域。本文介绍了系留多旋翼无人机的系统组成，对系留多旋翼无人机的性能优点进行了总结，最后介绍了其在通信和军事侦察中的应用，系留多旋翼无人机由于其独特的性能优点，未来在各个领域将发挥更大的应用价值。
参考文献
[1] 王锋，逯振坤，周国庆，等.系留多旋翼无人机技术进展及设计方法研究[J].机械工程师，2019（4）：68-72，75.
[2] 付松源.系留多旋翼无人机及其在战术通信中的应用[J].电子技术应用，2018，44（4）：14-17，22.
[3] 吴侹.系留多旋翼无人机通信系统在应急救灾通信中的应用[J].移动通信，2016，40（15）：68-71.
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